Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (2021)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cơ cấu đo; Nhận dạng và phân loại được các dụng cụ đo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Đo lường điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (2021)

SỞ LAO ĐỘNG TB & XH TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: ĐO LƢỜNG ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 835/QĐ- CĐN ngày 31 tháng 12 năm 2021 của Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam) Hà Nam, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Dựa theo giáo trình này, có thể sử dụng để giảng dạy cho các trình độ hoặc nghề ngành/ nghề khác của nhà trƣờng. 1
LỜI GIỚI THIỆU Nhằm thống nhất nội dung giảng dạy và đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu của sinh viên. Tác giả đã xây dựng giáo trình áp dụng chƣơng trình đào tạo Cao đẳng và trung cấp nghề Điện công nghiệp. Đây là tài liệu giảng dạy của giảng viên và học tập, nghiên cứu của sinh viên trƣờng Cao đẳng nghề Hà Nam Nội dung giáo trình đƣợc xây dựng trên cơ sở thừa kế những nội dung giảng dạy của các giảng viên trƣờng Cao đẳng nghề Hà Nam và kết hợp với các tài liệu tham khảo trong và ngoài nƣớc. Giáo trình do các nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy và đóng góp ý kiến. Giáo trình đƣợc biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, định hƣớng kiến thức theo quan điểm phát triển công nghệ ứng dụng không đi nghiên cứu sâu các kiến thức hàn lâm mà chủ yếu nghiên cứu hệ quả của quá trình phân tích các mạch công suất. Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng biên soạn, nhƣng giáo trình chắc không tránh khỏi khiếm khuyết. Hy vọng nhận đƣợc sự góp ý của bạn đọc. Mọi góp ý xin liên hệ về tác giả theo địa chỉ mail: thucdnhanam@gmail.com xin chân thành cảm ơn! Hà Nam, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Đặng Thị Nguyệt Thu 2
MỤC LỤC Trang BÀI 1: CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG .......................................... 5 1. KHÁI NIỆM VỀ CƠ CẤU ĐO ................................................................................ 5 2. CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO. ...................................................................................... 6 2.1. Cơ cấu đo từ điện ..................................................................................... 6 2.2. Cơ cấu đo điện từ. .................................................................................... 8 2.3. Cơ cấu đo điện động. ............................................................................. 10 2.4. Cơ cấu đo cảm ứng ................................................................................ 11 BÀI 2: ĐO CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐIỆN CƠ BẢN ............................................. 13 1. ĐO ĐIỆN ÁP .................................................................................................... 13 1.1. Mở đầu ................................................................................................... 13 2. Đo dòng điện. ............................................................................................ 20 3. ĐO ĐIỆN TRỞ ................................................................................................. 26 3.1. Đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp .............................................. 26 3.2. Đo điện trở bằng phương pháp trực tiếp ............................................... 27 3.3. Cầu đo điện trở ...................................................................................... 28 3.4. Đo điện trở lớn ....................................................................................... 32 4. ĐO CÔNG SUẤT .............................................................................................. 34 4.1. Cơ sở chung về đo công suất và năng lượng. ........................................ 34 4.2 Công suất trong mạch một chiều ............................................................ 35 4.3. Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha: ........................... 35 4.4. Công suất tác dụng trong mạch 3 pha ................................................... 35 4.4. Đo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha ................. 36 4.5. Đo theo phương pháp cơ điện................................................................ 36 5. ĐO ĐIỆN NĂNG ............................................................................................... 37 5.1 Đo năng lượng trong mạch xoay chiều một pha, công tơ một pha ........ 37 5.2 Công tơ điện tử ....................................................................................... 40 BÀI 3: SỬ DỤNG CÁC LOẠI MÁY ĐO THÔNG DỤNG ........................... 42 1. SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG ....................................................................... 42 2. SỬ DỤNG AMPE KÌM ...................................................................................... 44 3. Sử dụng Dao động ký (Oscilloscope). ..................................................... 47 3.1. Mở đầu ................................................................................................... 47 3.2. Sơ đồ khối của một máy hiện sóng thông dụng ..................................... 49 3.3. Thiết lập chế độ hoạt động và cách điều khiển một máy hiện sóng ...... 50 3.4. Ứng dụng của máy hiện sóng trong kỹ thuật đo lường ......................... 54 TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO....................................................................... 57 3
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Đo lƣờng điện Mã mô đun: MĐ13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí: Mô đun này học sau các môn học An toàn lao động; Mạch điện. - Tính chất: Là mô đun kĩ thuật chuyên môn, thuộc mô đun đào tạo nghề bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của mô đun: có vị trí quan trọng trong chƣơng trình đào tạo nghề điện công nghiệp. Mục tiêu của mô đun: - Về kiến thức: + Trình bày đƣợc cấu tạo và nguyên lý làm việc của các cơ cấu đo. + Nhận dạng và phân loại đƣợc các dụng cụ đo. - Về kỹ năng: + Đo đƣợc các thông số và các đại lƣợng cơ bản của mạch điện. + Sử dụng đƣợc các loại máy đo để kiểm tra, phát hiện hƣ hỏng của thiết bị/hệ thống điện. + Đọc đƣợc kết quả đo nhanh chóng, chính xác. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Có khả năng nhận dạng và phân loại các cơ cấu đo lƣờng đƣợc đào tạo; có sáng kiến trong quá trình thực hiện chọn lựa dụng cụ đo phù hợp; có khả năng đƣa ra đƣợc kết luận về các kết quả của các dụng cụ đo. + Làm việc độc lập hoặc làm việc theo nhóm, lựa chọn các dụng cụ đo lƣờng điện trong điều kiện làm việc thay đổi. + Hƣớng những ngƣời khác thực hiện đƣợc việc lựa chọn các thiết bị đo lƣờng điện theo yêu cầu cho trƣớc; chịu trách nhiệm cá nhân và trách nhiệm đối với nhóm. + Đánh giá chất lƣợng các thiết bị đo lƣờng điện đã lựa chọn và kết quả thực hiện của các thành viên trong nhóm. Nội dung của mô đun: 4
BÀI 1: CÁC LOẠI CƠ CẤU ĐO THÔNG DỤNG Mã bài: MĐ 13 - 01 Giới thiệu Dụng cụ đo tƣơng tự có số chỉ là đại lƣợng liên tục tỉ lệ với đại lƣợng đo liên tục. Thƣờng sử dụng các chỉ thị cơ điện có tín hiệu vào là dòng điện, tín hiệu ra là góc quay của kim chỉ hoặc bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi). Những dụng cụ đo này là dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lƣợng cần đo X nhƣ điện áp, dòng điện, tần số, góc pha… đƣợc biến đổi thành góc quay α của phần động (so với phần tĩnh), tức là biến đổi từ năng lƣợng điện từ thành năng lƣợng cơ học. Từ đó có biểu thức quan hệ: α = f ( X ) với X là đại lƣợng điện. Các cơ cấu chỉ thị này thƣờng dùng trong các dụng cụ đo các đại lƣợng: dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở…của mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp. Mục tiêu - Phân tích đƣợc cấu tạo, nguyên lý của các loại cơ cấu đo thông dụng nhƣ: từ điện, điện từ, điện động... - Lựa chọn các loại cơ cấu đo phù hợp với từng trƣờng hợp sử dụng cụ thể. - Sử dụng và bảo quản các loại cơ cấu đo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn. - Rèn luyện tính cần cù, tỉ mỉ, tác phong và vệ sinh công nghiệp. Nội dung chính 1. Khái niệm về cơ cấu đo Cơ cấu đo là thành phần cơ bản để tạo nên các dụng cụ và thiết bị đo lƣờng ở dạng tƣơng tự (analog) và hiện số Digitans. - Ở dạng tƣơng tự (analog) là dụng cụ đo biến đổi thẳng: đại lƣợng cần đo X nhƣ điện áp, dòng điện, tần số, góc pha… đƣợc biến đổi thành góc quay α của phần động(so với phần tĩnh), tức là biến đổi từ năng lƣợng điện từ thành năng lƣợng cơ học. Từ đó có biểu thức quan hệ:   (X ) với X là đại lƣợng điện. Các cơ cấu chỉ thị này thƣờng dùng trong các dụng cụ đo các đại lƣợng: dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở…của mạch điện một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp. 5
- Hiện số (Digitans) là cơ cấu chỉ thị số ứng dụng các kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính để biến đổi và chỉ thị đại lƣợng đo. Có nhiều loại thiết bị hiện số khác nhau nhƣ: đèn sợi đốt, đèn điện tích, LED 7 thanh, màn hỡnh tinh thể lỏng LCD, màn hình cảm ứng… 2. Các loại cơ cấu đo. 2.1. Cơ cấu đo từ điện a) Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động: - Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động. - Phần động: gồm: khung dây quay 5 đƣợc quấn bắng dây đồng. Khung dây đƣợc gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngƣợc nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8. Hình 2.1. Cơ cấu chỉ thị từ điện. b) Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dƣới tác động của từ trƣờng nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay đƣợc tính theo biểu thức: dWe Mq  = B.S.W.I d với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu S: tiết diện khung dây W: số vòng dây của khung dây Tại vị trí cân bằng, mômen quay bằng mômen cản: 1 M q  M c  B.S .W .I  D.    .B.S .W .I  S I .I D Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây. 6
c) Các đặc tính chung: từ biểu thức (5.1) suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau: - Chỉ đo đƣợc dòng điện một chiều. - Đặc tính của thang đo đều. 1 - Độ nhạy S I  B.S .W là hằng số D - Ƣu điểm: độ chính xác cao; ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài không đáng kể (do từ trƣờng là do nam châm vĩnh cửu sinh ra); công suất tiêu thụ nhỏ nên ảnh hƣởng không đáng kể đến chế độ của mạch đo; độ cản dịu tốt; thang đo đều (do góc quay tuyến tính theo dòng điện). - Nhƣợc điểm: chế tạo phức tạp; chịu quá tải kém (do cuộn dây của khung quay nhỏ); độ chính xác của phép đo bị ảnh hƣởng lớn bởi nhiệt độ, chỉ đo dòng một chiều. - Ứng dụng: cơ cấu chỉ thị từ điện dùng để chế tạo ampemét vônmét, ômmét nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 ÷ 0,5). + Chế tạo các loại ampemét, vônmét, ômmét nhiều thang đo, dải đo rộng. + Chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao có thể đo đƣợc: dòng đến 10- 12A, áp đến 10 - 4V, đo điện lƣợng, phát hiện sự lệch điểm không trong mạch cần đo hay trong điện thế kế. + Sử dụng trong các mạch dao động ký ánh sáng để quan sát và ghi lại các giá trị tức thời của dòng áp, công suất tần số có thể đến 15kHz; đƣợc sử dụng để chế tạo các đầu rung. + Làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lƣợng không điện khác nhau. + Chế tạo các dụng cụ đo điện tử tƣơng tự: vônmét điện tử, tần số kế điện tử, pha kế điện tử… + Dùng với các bộ biến đổi khác nhƣ chỉnh lƣu, cảm biến cặp nhiệt để có thể đo đƣợc dòng, áp xoay chiều. d) Lôgômét từ điện: là loại cơ cấu chỉ thị để đo tỉ số hai dòng điện, hoạt động theo nguyên lý giống cơ cấu chỉ thị điện từ, chỉ khác là không có lò xo cản mà thay bằng một khung dây thứ hai tạo ra mômen có hƣớng chống lại mômen quay của khung dây thứ nhất. Nguyên lý làm việc: trong khe hở của từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu đặt phần động gồm hai khung quay đặt lệch nhau góc δ (300 ÷ 900). Hai khung dây gắn vào một trục chung. Dòng điện I1 và I2 đƣa vào các khung dây bằng các dây dẫn không mômen. 7
Hình 2.2. Lôgômét từ điện d1 - Dòng I1 sinh ra mômen quay Mq: M q  I1 . d d 2 - Dòng I2 sinh ra mômen cản Mc: M  I 2 . d với Ф1, Ф2: từ thông của nam châm móc vòng qua các khung dây, thay đổi theo α. Dấu của Mq và Mc ngƣợc nhau. Các giá trị cực đại của các mômen lệch nhau góc δ. Ở trạng thái cân bằng có: d 2 d1 d I d f ( ) M q  M c  I1 . = I2. 2  1   1  f ( ) d d I2 d1 f 2 ( ) d với f1(α), f2(α) là các đại lƣợng xác định tốc độ thay đổi của từ thông móc vòng. I Từ biểu thức trên có:   F ( 1 ) I2 Đặc tính cơ bản: góc lệch α tỉ lệ với tỉ số của hai dòng điện đi qua các khung dây. Ứng dụng: lôgômét từ điện đƣợc ứng dụng để đo điện trở, tần số và các đại lƣợng không điện. 2.2. Cơ cấu đo điện từ. * lôgômét điện từ. a) Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động: - Phần tĩnh: là cuộn dây 1 bên trong có khe hở không khí (khe hở làm việc). 8
- Phần động: là lõi thép 2 đƣợc gắn lên trục quay 5, lõi thép có thể quay tự do trong khe làm việc của cuộn dây. Trên trục quay có gắn: bộ phận cản dịu không khí 4, kim chỉ 6, đối trọng 7. Ngoài ra còn có lò xo cản 3, bảng khắc độ 8. Hình 2.3. Cấu tạo chung của cơ cấu chỉ thị điện từ. b) Nguyên lý làm việc: dòng điện I chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) tạo thành một nam châm điện hút lõi thép 2 (phần động) vào khe hở không khí với mômen quay: dWe LI 2 Mq  , với We  d 2 với L là điện cảm của cuộn dây, suy ra: 1 dL M q  .I 2 . 2 d Tại vị trí cân bằng có: 1 dL 2 Mq  Mc    .I 2 D d là phƣơng trình thể hiện đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ. c) Các đặc tính chung: - Góc quay α tỉ lệ với bình phƣơng của dòng điện, tức là không phụ thuộc vào chiều của dòng điện nên có thể đo trong cả mạch xoay chiều hoặc một chiều. - Thang đo không đều, có đặc tính phụ thuộc vào tỉ số dL/dαlà một đại lƣợng phi tuyến. - Cản dịu thƣờng bằng không khí hoặc cảm ứng. - Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu đƣợc quá tải lớn. - Nhược điểm: độ chính xác không cao nhất là khi đo ở mạch một chiều sẽ bị sai số (do hiện tƣợng từ trễ, từ dƣ…); độ nhạy thấp; bị ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài (do từ trƣờng của cơ cấu yếu khi dòng nhỏ). d) Ứng dụng: thƣờng đƣợc sử dụng đẻ chế tạo các loại ampemét, vônmét trong mạch xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1÷2. Ít dùng trong các mạch có tần số cao. 9
2.3. Cơ cấu đo điện động. * lôgômét điện động. a) Cấu tạo chung: nhƣ hình 2.4: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động: - Phần tĩnh: gồm: cuộn dây 1 (đƣợc chia thành hai phần nối tiếp nhau) để tạo ra từ trƣờng khi có dòng điện chạy qua. Trục quay chui qua khe hở giữa hai phần cuộn dây tĩnh. - Phần động: gồm một khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Khung dây 2 đƣợc gắn với trục quay, trên trục có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ thị. Cả phần động và phần tĩnh đƣợc bọc kín bằng màn chắn để ngăn chặn ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài. b) Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện I1 chạy vào cuộn dây 1 (phần tĩnh) làm xuất hiện từ trƣờng trong lòng cuộn dây. Từ trƣờng này tác động lên dòng điện I2 chạy trong khung dây 2 (phần động) tạo nên mômen quay làm khung dây 2 quay một góc α. dWe Mômen quay đƣợc tính: Mq  d với: We là năng điện điện từ trƣờng. Có hai trƣờng hợp xảy ra: 1 dM 12 - I1, I2 là dòng điện một chiều:   .I 1 .I 2 D d với: M12 là hỗ cảm giữa cuộn dây tĩnh và động. 1 dM 12 - I1 và I2 là dòng điện xoay chiều:   .I 1 .I 2 . cos D d với: ψ là góc lệch pha giữa I1 và I2. Hình 2.4. Cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động c) Các đặc tính chung: - Có thể dùng trong cả mạch điện một chiều và xoay chiều. - Góc quay α phụ thuộc tích (I1.I2) nên thang đo không đều - Trong mạch điện xoay chiều α phụ thuộc góc lệch pha ψ giữa hai dòng điện nên có thể ứng dụng làm Oátmét đo công suất. - Ƣu điểm cơ bản: có độ chính xác cao khi đo trong mạch điện xoay chiều. 10
- Nhƣợc điểm: công suất tiêu thụ lớn nên không thích hợp trong mạch công suất nhỏ. Chịu ảnh hƣởng của từ trƣờng ngoài, muốn làm việc tốt phải có bộ phận chắn từ. Độ nhạy thấp vì mạch từ yếu. d) Ứng dụng: chế tạo các ampemét, vônmét, óatmét một chiều và xoay chiều tần số công nghiệp; các pha kế để đo góc lệch pha hay hệ số công suất cosφ. Trong mạch có tần số cao phải có mạch bù tần số (đo đƣợc dải tần đến 20KHz). 2.4. Cơ cấu đo cảm ứng a) Cấu tạo chung: nhƣ hình 2.5: gồm phần tĩnh và phần động. - Phần tĩnh: các cuộn dây điện 2,3 có cấu tạo để khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trƣờng móc vòng qua mạch từ và qua phần động, có ít nhất là 2 nam châm điện. - Phần động: đĩa kim loại 1 (thƣờng bằng nhôm) gắn vào trục 4 quay trên trụ 5. Hình 2.5. Cơ cấu chỉ thị cảm ứng b) Nguyên lý làm việc chung: dựa trên sự tác động tƣơng hỗ giữa từ trƣờng xoay chiều (đƣợc tạo ra bởi dòng điện trong phần tĩnh) và dòng điện xoáy tạo ra trong đĩa của phần động, do đó cơ cấu này chỉ làm việc với mạch điện xoay chiều: Khi dòng điện I1, I2 vào các cuộn dây phần tĩnh → sinh ra các từ thông Ф1, Ф2 (các từ thông này lệch pha nhau góc ψ bằng góc lệch pha giữa các dòng điện tƣơng ứng), từ thông Ф1, Ф2 cắt đĩa nhôm 1 (phần động) → xuất hiện trong đĩa nhôm các sức điện động tƣơng ứng E1, E2 (lệch pha với Ф1, Ф2 góc π/2) → xuất hiện các dòng điện xoáy I x1, Ix2 (lệch pha với E1, E2 góc α1, α2). Các từ thông Ф1, Ф2 tác động tƣơng hỗ với các dòng điện I x1, Ix2 → sinh ra các lực F1, F2 và các mômen quay tƣơng ứng → quay đĩa nhôm (phần động). Mômen quay đƣợc tính: M q  C. f .12 sin  với: C là hằng số 11
f là tần số của dòng điện I1, I2 ψ là góc lệch pha giữa I1, I2 c) Các đặc tính chung: - Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trƣờng. - Mômen quay đạt giá trị cực đại nếu góc lệch pha ψ giữa I1, I2 bằng π/2. - Mômen quay phụ thuộc tần số của dòng điện tạo ra các từ trƣờng. - Chỉ làm việc trong mạch xoay chiều. - Nhƣợc điểm: mômen quay phụ thuộc tần số nên cần phải ổn định tần số. d) Ứng dụng: chủ yếu để chế tạo côngtơ đo năng lƣợng; có thể đo tần số… Bảng 1.1. Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ thị cơ điện Câu hỏi 1. Nêu cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc điểm, ứng dụng của các cơ cấu từ điện, điện từ và điện động? 2. So sánh sự khác nhau giữa các cơ cấu đo và cho biết ứng dụng của từng cơ cấu vào thiết bị đo cụ thể? 12
BÀI 2: ĐO CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐIỆN CƠ BẢN Mã bài: MĐ 13 - 02 Giới thiệu Trong quá trình lắp ráp, bảo dƣỡng, sữa chữa và vận hành các mạch điện hoặc một hệ thống điện, đòi hỏi ngƣời công nhân phải nắm đƣợc các thông số của các đại lƣợng cơ bản trong mạch điện, mạng điện hoặc hệ thống điện. Từ đó đƣa ra phƣơng án lắp đặt, bảo dƣỡng, sửa chữa và vận hành mạch, mạng hoặc hệ thống điện tối ƣu nhất, đồng thời đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị. Muốn vậy ngƣời công nhân phải nắm đƣợc các phƣơng pháp đo và kiểm tra các đại lƣợng cơ bản đó một cách nhuần nhuyễn và có nhƣ vậy mới nâng cao đƣợc chất lƣợng của mạch, mạng điện và hệ thống điện. Mục tiêu - Đo, đọc chính xác trị số các đại lƣợng điện U, I, R, L, C, tần số, công suất và điện năng... - Lựa chọn phù hợp phƣơng pháp đo cho từng đại lƣợng cụ thể. - Sử dụng và bảo quản các loại thiết bị đo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. - Phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong công việc Nội dung chính 1. Đo điện áp 1.1. Mở đầu Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter) Ký hiệu là: V Khi đo điện áp bằng Vôn kế thì Vôn kế luôn đƣợc mắc song song với đoạn mạch cần đo nhƣ hình dƣới đây: Hình 2.9: Mạch đo điện áp - Khi chƣa mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: E Ut  .Rt Rt  Rng 13
- Khi mắc Vôn kế vào điện áp rơi trên tải là: E UV  .Re Re  Rng RV .Rt Re  RV // Rt  RV  Rt Vậy sai số của phép đo điện áp bằng Vônkế là: U t  UV U 1 u   1 V  1 Ut Ut Rt .Rng 1 RV ( Rt  Rng ) Nhƣ vậy, muốn sai số nhỏ thì yêu cầu Rv phải càng lớn càng tốt và lý tuởng là Rv ≈ ∞? Kết quả đo nếu muốn tính chính xác thì phải sử dụng công thức: Uv = (1+ γ u ).Ut Để đo điện áp của một phần tử nào đó ngƣời ta mắc Vôn kế nhƣ hình dƣới: Hình 2.10: Dùng đồng hồ số đo điện áp a.Vôn kế một chiều * Nguyên tắc hoạt động Độ lệch của dụng cụ đo TĐNCVC tỉ lệ với dòng qua cuộn dây động. Dòng qua cuộn dây tỉ lệ với điện áp trên cuộn dây nên thang đo của máy đo TĐNCVC có thể đƣợc chia để chỉ điện áp. Nghĩa là, Vôn kế chỉ là ampe kế dòng rất nhỏ với điện trở rất lớn. Điện áp định mức của chỉ thị vμo khoảng 50 – 75mV nên cần nối tiếp nhiều điện trở phụ (còn gọi là điện trở nhân) với chỉ thị để làm tăng khoảng đo của Vôn kế. Sơ đồ mắc nhƣ sau: Trong đó: U CT UX I CT   RCT RP  RCT 14
 ( RP  RCT ).U CT  RCt .U X U X  U CT U  RP  RCT .  RCT ( X  1)  (m  1).RCT U CT U CT UX với m  gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp U CT Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ đƣợc mắc nhƣ sau: Sơ đồ mắc nối tiếp: Trong đó: Hoặc sơ đồ mắc song song: Nhận xét: Thang đo có vạch chia đều (tính chất của cơ cấu từ điện) b.Vôn kế xoay chiều * Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều Sử dụng cơ cấu từ điện thì dụng cụ có tính phân cực và phải mắc đúng sao cho độ lệch dƣơng (trên thang đo). Khi dòng xoay chiều có tần số rất thấp chạy qua dụng cụ TĐNCVC thì kim có xu hƣớng chỉ theo giá trị tức thời của dòng xoay chiều. Nhƣ vậy, khi giá trị dòng tăng theo chiều + thì kim cũng tăng tới giá trị cực đại sau đó giảm tới 0 và xuống bán kỳ âm thì kim sẽ bị lệch ngoμi thang đo. Trƣờng hợp này xảy ra khi tần số của dòng xoay chiều cỡ 0,1Hz hoặc thấp hơn. 15
Khi dòng xoay chiều có tần số công nghiệp (50/60Hz) hoặc cao hơn thì cơ cấu làm nhụt vụ quán tính chuyển động của cơ cấu động (toàn máy đo) không biến đổi theo mức dòng tức thời mà thay vào đó kim của dụng cụ sẽ dừng ở vị trí trung bình của dòng chạy qua cuộn động. Với sóng sin thuần tuý kim lệch sẽ ở vị trí zero mặc dù dòng Irms có thể có giá trị khá lớn vμ có khả năng gây hỏng dụng cụ. Do đó, để sử dụng dụng cụ TĐNCVC làm thành dụng cụ đo xoay chiều ngƣời ta phải sử dụng các bộ chỉnh lƣu (nửa sóng hoặc toàn sóng) để các giá trị của dòng chỉ gây ra độ lệch dƣơng. c.Vôn kế điện từ Là dụng cụ để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. Cuộn dây tĩnh có số vòng dây rất lớn từ 1000 – 6000 vòng. Để mở rộng thang đo ngƣời ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ. Các tụ C đƣợc mắc song song với các điện trở phụ để bù sai số do tần số khi tần số lớn hơn tần số công nghiệp. d. Vôn kế điện động Cuộn kích đƣợc chia làm 2 phần nối tiếp nhau và nối tiếp với cuộn động. Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với I2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I2 tức giá trị tức thời rms. * Đặc điểm của Vôn kế điện động + Tác dụng của dòng rms giống nhƣ trị số dòng một chiều tƣơng đƣơng nên có thể khác độ theo giá trị một chiều và dùng cho cả xoay chiều 16
+ Dụng cụ điện động thƣờng đòi hỏi dòng nhỏ nhất là 100mA cho ĐLTT nên Vôn kế điện động có độ nhạy thấp hơn nhiều so với Vôn kế từ điện (chỉ khoảng 10Ω/V) + Để giảm thiểu sai số chỉ nên dùng ở khu vực tần số công nghiệp e. Đo điện áp bằng phƣơng pháp so sánh *Cơ sở lý thuyết Các dụng cụ đo điện đã trình bày ở trên sử dụng có cấu cơ điện để chỉ thị kết quả đo nên cấp chính xác của dụng cụ không vƣợt quá cấp chính xác của chỉ thị. Để đo điện áp chính xác hơn ngƣời ta dùng phƣơng pháp bù (so sánh với giá trị mẫu). Nguyên tắc cơ bản nhƣ sau: + Uk là điện áp mẫu với độ chính xác rất cao đƣợc tạo bởi dòng điện I ổn định đi qua điện trở mẫu Rk. Khi đó: Uk = I.Rk + Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo Ux ΔU = Ux −Uk Khi ΔU ≠ 0 điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk sao cho Ux = Uk, nghĩa là làm cho ΔU = 0; chỉ thị chỉ zero. + Kết quả đƣợc đọc trên điện trở mẫu đã đƣợc khắc độ theo thứ nguyên điện áp. Chú ý: Các dụng cụ bù điện áp đều có nguyên tắc hoạt động nhƣ trên nhƣng có thể khác nhau phần tạo điện áp mẫu Uk g. Điện thế kế một chiều * Sơ đồ mạch 17
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ a) + Xác định dòng công tác Ip nhờ nguồn điện áp U0, Rđc và Ampe kế. + Giữ nguyên giá trị của Ip trong suốt thời gian đo + Điều chỉnh con chạy của điện trở mẫu Rk cho đến khi chỉ thị chỉ zero + Đọc kết quả trên điện trở mẫu, khi đó: Ux = Uk = Ip.Rk Trong sơ đồ a, vì sử dụng Ampe kế nên độ chính xác của điện thế kế không thể cao hơn độ chính xác của Ampe kế. Ngƣời ta cải tiến mạch bằng cách sử dụng nguồn pin mẫu (E N) và điện trở mẫu (Rk) có độ chính xác cao nhƣ ở hình b. *Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ b) + Khi K ở vị trí 1, điều chỉnh Rđc để chỉ thị chỉ zero. + Giữ nguyên Rđc vμ chuyển K sang vị trí 2, điều chỉnh con trƣợt của điện trở mẫu để chỉ thị về zero. Chú ý: trên thực tế, ngƣời ta thƣờng sử dụng điện thế kế một chiều tự động cân bằng (để đo sức điện động của các cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ) 18
Hình 2.11 Sơ đồ mạch của điện thế kế một chiều tự động cân bằng Trong đó: RN , EN là điện trở và nguồn điện mẫu có độ chính xác cao U0 là nguồn điện áp ổn định Động cơ thuận nghịch hai chiều để điều chỉnh con chạy của Rp và Rđc Bộ điều chế làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều (ΔU) thành điện áp xoay chiều để điều khiển động cơ Hoạt động: Trƣớc khi đo, khóa K đƣợc đặt ở vị trí KT (kiểm tra) khi đó dòng I 2 qua điện trở mẩu RN và ∆U = EN – I2RN ΔU qua bộ điều chế để chuyển thμnh tín hiệu xoay chiều (role đƣợc điều khiển bởi nam châm điện nên có tần số đóng/cắt phụ thuộc vào dòng chạy trong nam châm điện). Tín hiệu xoay chiều này thƣờng có giá trị rất nhỏ nên phải qua bộ khuếch đại để tăng tới giá trị đủ lớn có thể điều khiển động cơ thuận nghịch hai chiều. Động cơ này quay và kéo con chạy của Rđc để làm thay đổi I2 tới khi ΔU =0. Đồng thời nó cũng kéo con trƣợt của Rp về vị trí cân bằng. + Khi K ở vị trí đo ta có: ΔU = Ex – Uk với Uk = I1 (R1 +Rp1) – I2.R2 Nếu Ex > Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để tăng Uk tới khi ΔU =0 Nếu Ex < Uk thì động cơ sẽ kéo con chạy để giảm Uk tới khi ΔU = 0 Vị trí của con chạy và kim chỉ sẽ xác định giá trị của Ex Ƣu điểm của điện thế kế một chiều tự động cân bằng là tự động trong quá trình đo và có khả năng tự ghi kết quả trong một thời gian dài. 19